De 0 a 100 em 12 minutos: calendário para as baterias de lítio-enxofre
Estudo internacional mostra o potencial das baterias de lítio-enxofre de carregamento rápido para a mobilidade eléctrica e a transição energética
Uma vez que se toma um café e o carro está completamente carregado - é assim que muitas pessoas imaginam a mobilidade do futuro. Mas as baterias actuais ainda estão muito longe disso. Embora as baterias modernas de iões de lítio carreguem de 20 a 80 por cento em cerca de 20 a 30 minutos, um carregamento completo demora consideravelmente mais tempo - e o carregamento rápido exerce uma grande pressão sobre as células.
Jakob Offermann (à esquerda) e Dr. Mozaffar Abdollahifar (à direita) com uma bateria de iões de lítio.
© Christina Anders, Uni Kiel
Um novo estudo de revisão internacional publicado na revista "Advanced Energy Materials" mostra agora como as baterias de lítio-enxofre (LSB) podem ultrapassar estas limitações. Investigadores da Alemanha, Índia e Taiwan - coordenados pelo Dr. Mozaffar Abdollahifar do grupo do Professor Rainer Adelung na Universidade de Kiel (CAU) - analisaram sistematicamente centenas de estudos actuais e mostraram quais os mecanismos que podem ser utilizados para fazer funcionar as LSB de forma estável e eficiente, mesmo a altas velocidades de carregamento. O seu objetivo: tempos de carregamento inferiores a 30 minutos - idealmente apenas 12 minutos - com uma maior densidade energética e maior autonomia.
Baterias de lítio-enxofre: Maior autonomia, carregamento mais rápido
As LSB são consideradas sucessoras promissoras das baterias de iões de lítio já estabelecidas. Nestas últimas, os iões de lítio são armazenados e removidos de materiais de eléctrodos sólidos, enquanto que nas LSB ocorrem reacções químicas nas quais se formam novos compostos. É utilizado um ânodo de lítio metálico em combinação com um cátodo de enxofre, o que, teoricamente, resulta numa capacidade de 2600 watts-hora por quilograma - cerca de dez vezes mais do que os sistemas convencionais. No futuro, os veículos eléctricos poderão assim percorrer distâncias significativamente maiores com um único carregamento.
Outra vantagem: o enxofre é barato, está disponível em todo o mundo, é amigo do ambiente e não é tóxico - existem também muitos argumentos económicos a favor da mudança para o enxofre como material catódico.
Desafios técnicos da tecnologia LSB
Até agora, porém, a utilização generalizada tem deparado com obstáculos técnicos: o enxofre é um isolante elétrico e tem de ser combinado com aditivos condutores, o que aumenta o peso da bateria. O cátodo expande-se até 80% durante a carga e a descarga, o que pode afetar a estabilidade mecânica e a vida útil.
A isto acresce o "efeito de vaivém": durante a descarga, formam-se polissulfuretos de lítio solúveis que migram para o ânodo e aí provocam reacções secundárias indesejáveis - com consequências negativas para a eficiência e a estabilidade. "Além disso, podem formar-se dendritos - estruturas em forma de agulha - no ânodo de lítio metálico, que podem provocar curto-circuitos e, no pior dos casos, causar incêndios", explica o autor principal Jakob Offermann.
Estratégias para um carregamento rápido com elevada segurança
O estudo investiga especificamente o trabalho com tempos de carregamento particularmente rápidos (a partir de 2C, ou seja, carregamento em menos de 30 minutos) e elevada carga de enxofre - ambos cruciais na prática. As abordagens de solução importantes são:
- Conceção do cátodo: as estruturas condutoras de carbono, como os nanotubos, o grafeno ou o carbono ativado, melhoram o transporte de iões e a utilização do enxofre - mesmo com uma elevada carga de material. Os carbonos ricos em defeitos e dopados também ajudam a reduzir o efeito de vaivém.
- Materiais catalíticos: Óxidos metálicos, calcogenetos ou catalisadores de átomo único aceleram as reacções do enxofre e reduzem o efeito de vaivém.
- Separadores optimizados: As camadas separadoras funcionais retêm os polissulfuretos e promovem um rápido transporte de iões.
- Novos sistemas de electrólitos: Electrólitos sólidos e altamente concentrados, bem como aditivos especiais, melhoram a condutividade, a compatibilidade com o lítio metálico e suprimem as reacções secundárias.
- Ânodos estáveis: Camadas protectoras, tais como estruturas de lítio 3D e interfaces artificiais, impedem a formação de dendrite.
- Novas formas de enxofre: O enxofre γ monoclínico permite uma reação direta no estado sólido - completamente sem o efeito de vaivém.
- Desenvolvimento de materiais com a ajuda da inteligência artificial: os métodos de IA aceleram a procura de materiais, prevêem o desempenho das baterias e ajudam a tornar os processos de carregamento mais eficientes e seguros.
LSBs como uma tecnologia-chave do futuro
"A nossa análise mostra que os tempos de carregamento rápido de menos de 30 minutos - em alguns casos, até menos de 15 minutos - com um aumento simultâneo da capacidade são realistas", afirma Mozaffar Abdollahifar. "Os primeiros protótipos estão atualmente a atingir valores promissores de cerca de 2 mAh por centímetro quadrado a velocidades de carregamento práticas. No entanto, para superar realmente as baterias de iões de lítio existentes, a carga do material e o desempenho têm de ser aumentados".
O estudo combina ciência dos materiais, eletroquímica, nanotecnologia e tecnologia de baterias numa abordagem holística para baterias de carregamento rápido. Apresenta uma nova metodologia que serve de guia para o desenvolvimento de LSBs de elevado desempenho, duradouras e seguras. Com critérios claros e uma abordagem sistemática, o trabalho oferece um roteiro orientado para a prática para a implementação de LSBs de carregamento rápido nos domínios da mobilidade e do armazenamento de energia.
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